遥控直升机控制理与性能分析.doc

遥控直升机控制原理与性能分析 一、?旋翼头??? 旋翼头是直升机中最神奇，也是最关键的部件。直升机的绝大多数性质，比如稳定性、灵活性，包括所谓操纵感觉，都是由旋翼头决定的。遥控直升机的旋翼头采用贝尔-希拉操纵方式，也就是一对主旋翼，产生升力，同时靠一对小翼控制升力的方向，从而达到控制直升机的目的。我们下面就来细说一下贝尔-希拉方式是如何达到操纵直升机的目的的。I、??陀螺效应??? 所谓陀螺效应，就是旋转着的物体具有像陀螺一样的效应。陀螺有两个特点：进动性和定轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时，它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的，而是轴围绕着一个定点进动。大家如果玩过陀螺就会知道，陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动，这就是进动(不考虑章动)。以下是陀螺效应的示意图：图一、陀螺效应示意图??? 在上图中，圆盘是陀螺。L是圆盘的角动量，其大小是R×Mv或者Iω。由于在力学中，有，所以和方向相同。这直接导致了（如图）高速转动的陀螺在受到F后，整个陀螺以X轴为转轴转动而不是以Y轴为转轴。这就是神奇的陀螺效应。这种效应一直伴随着直升机的飞行。例如：要使直升机仰俯，就必须要使直升机左右的升力不平衡而不是使其前后不平衡。基于这种原理我们下面就来解释遥控直升机的所谓贝尔-希拉操纵方式。  II、?贝尔-希拉操纵方式的初步分析??? 说起贝尔-希拉，同好们映像最深的一定是那对“希拉”小翼。这是遥控直升机唯一区别于真飞机的地方。那么这对小翼的作用究竟是什么呢？她所带来的好处是什么？下面就听我细细说来。??? 在I中，我们已经看到陀螺效应的基本原理。在遥控直升机中，主旋翼就是一个大陀螺，它本身具有陀螺效应。当我们改变主旋翼倾角时，直升机的运动状态就会发生改变。但同时，如果用舵机直接改变主旋翼的倾角来控制飞机，问题是很多的。首先，主旋翼倾角的改变需要较大的力矩。如果用十字盘直接控制的话，强大的、交变的力矩将会直接作用到舵机上。这样舵机将会受到很大负荷，操纵精度会严重下降。第二，当直升机受到轻微扰动后，由于陀螺的进动性，直升机将不会恢复原来状态，而是绕着垂线方向进动（如图）。 图??? 如图，由于重力不通过旋翼头中心，所以造成力矩的产生，从而导致主旋翼发生进动。这个问题是严重的，会直接导致遥控直升机悬停及飞行时无法稳定。基于以上问题，贝尔-希拉操纵方式产生了。操纵过程是这样的：一、初始状态??? 希拉小翼由于空气和离心力作用，和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等，飞行状态不发生变化二、操纵时??? 上图为同一个视角，主旋翼转动到不同角度时的状态。在图I中，操纵者将十字盘倾斜。希拉小翼就与空气呈10°倾角。由于空气的作用，希拉小翼在图I位置受力。由于陀螺效应，希拉小翼不会在图I位置立即上抬，而是在转过90°后在上图II位置上抬。 于是希拉小翼旋转平面与主旋翼平面呈10°夹角并稳定于此。??? 在图II中，我们清晰地看见，由于希拉小翼通过连杆控制着主旋翼的倾角，所以希拉小翼旋转平面的改变导致了主旋翼与空气产生夹角。从而使主旋翼在图II位置受力。由于陀螺效应，主旋翼不会在图II位置立即上抬，而是在转过90°后在图I位置上抬。从而使得主旋翼平面趋于平行于希拉小翼。??? 至此，遥控直升机主旋翼平面的倾转过程已经分析完毕。我们看到，遥控直升机的倾转总是希拉小翼旋转平面先倾转，主旋翼平面跟上趋于平行的过程。有意思的是，在这一过程中主旋翼操纵的负荷被希拉小翼完全承担。舵机只需承担操纵希拉小翼的负荷。这就有效地化解了一般操纵方式舵机负荷过重的问题。??? 下面再来初步分析希拉小翼对遥控直升飞机稳定性带来的好处。为此，我们来看贝尔-希拉操纵系统的干扰-稳定过程： 一、初始状态??? 希拉小翼由于空气和离心力作用，和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等，飞行状态不发生变化二、外界气流对飞机进行干扰。??? 当遇到气流时，由于主旋翼的旋转，会导致左、右主旋翼相对于空气的速度不同，从而产生力矩，使飞机偏离平衡位置。如图：??? 在上图中，飞机机身及主旋翼平面由于干扰而失去平衡位置。但由于希拉小翼采用对称翼型，不会受到外界干扰。由于陀螺效应的定轴性，希拉小翼平面保持不变。所以此时主旋翼平面由于与希拉小翼平面有夹角而产生恢复力矩，抵抗外界干扰。这就是贝尔-希拉控制方式的自稳定过程。也正是这个过程，使得遥控直升飞机避免了被干扰后就陷于进动的问题。同时，当直升飞机高速前进时，由于左、右主旋翼相对空气的速度不同，会导致力矩的产生，使飞机抬头的现象也被这种贝尔-希拉控制方式有效抑制，从而有效地提高了遥控直升飞机的可操纵性。值得注意的是，贝尔-希拉自稳定过程不能抑制过强的干扰。原因是希拉小翼旋转平面保持原来运动状态